ЭФФЕКТИВНЫЕ И БЕЗОПАСНЫЕ

По словам Евгении Ильиной, у сегодняшних литий-ионных аккумуляторов много существенных недостатков: работают они в основном при положительных температурах, быстро деградируют и могут даже воспламеняться. Последнее связано с тем, что основа конструкции промышленно применяемых литий-ионных аккумуляторов — жидкий или полимерный электролит, размещенный между катодом и анодом. Портативные аккумуляторы с жидким электролитом не склонны к газообразованию и вздутию, а вот в аккумуляторах большой емкости возможны разогревание электролита, закипание и даже взрыв. Особенно опасно, если такое произойдет в аккумуляторе, установленном в электромобиле.  

Полностью твердотельные источники тока гораздо безопаснее и могут работать в более широком интервале температур, поэтому интерес к их разработке растет, этим занимаются ведущие мировые компании. Однако и здесь есть свои проблемы, и основная из них — низкие выходные характеристики полностью твердотельных устройств, обусловленные низкими значениями проводимости твердого электролита, а также высоким сопротивлением на границе между электродом и твердым электролитом. Снизить эти потери возможно за счет перехода к тонкопленочным технологиям изготовления компонентов электрохимических устройств. Кроме того, пленочные конструкции позволят создавать более миниатюрные источники тока и экономить дорогостоящие материалы при серийном производстве.

— Перспективная технология формирования тонкопленочных компонентов полностью твердотельных литиевых аккумуляторов — электрофоретическое осаждение, — говорит Евгения Ильина. — Благодаря этой технологии можно гибко регулировать состав, морфологию и толщину наносимого покрытия, формировать многослойные структуры, а это актуально для создания высокопроводящего слоя электролита и катода, а также регулирования свойств на границе электрод/электролит. Методом электрофоретического осаждения можно получать тонкопленочные покрытия сложного состава толщиной от долей микрона до десятка микрон на различных подложках.

Однако разработка такой технологии требует проведения комплексных исследований порошковых материалов, свойств суспензий на их основе, закономерностей электрофоретического осаждения, термообработки покрытий и установления взаимосвязи электрических свойств пленок с параметрами устройства.

В междисциплинарный научный коллектив помимо Евгении Ильиной входят доктор химических наук Елена Калинина из Института электрофизики УрО РАН и аспирант Ефим Лялин (на фото) из ИВТЭ УрО РАН. Ученые имеют многолетний опыт работы с материалами для источников тока, суспензиями, тонкими пленками и технологией электрофоретического осаждения. Так, докторская диссертация Елены Калининой посвящена разработке подходов к формированию электролитных мембран среднетемпературных твердооксидных топливных элементов с применением метода электрофоретического осаждения. В центрах коллективного пользования ИВТЭ, ИЭФ УрО РАН и УрФУ есть необходимое оборудование для продолжения этих исследований.

— В первый год выполнения проекта мы исследовали фундаментальные закономерности электрофоретического осаждения катодного и электролитного слоев, а также электрохимические свойства тонкопленочных структур литий-проводящих твердых электролитов, — поясняет Евгения Ильина. — Наша группа впервые применила метод электрофоретического осаждения для формирования тонкопленочных покрытий твердого электролита цирконата лантана лития на модельных металлических подложках.

В дальнейшем мы планируем разработать макет полностью твердотельного источника тока с применением электрофоретического осаждения твердого электролита непосредственно на катодный материал, нанесенный на металлический токопровод. Это принципиально новый подход. Наш проект нацелен не только на получение тонкопленочных твердых электролитов с высокими характеристиками и оптимизацию границы твердый электролит/электрод, но также на сборку макетов полностью твердотельных источников тока с литиевым анодом и их тестирование.